1. UASB- ja IC-reaktoriprosessin periaatteet
1.1 UASB-reaktori
1.1.1 UASB:n esittely
Upflow anaerobinen lietepeitereaktori (UASB) on anaerobinen biologinen menetelmä jäteveden puhdistamiseen, joka tunnetaan myös ylösvirtauksen anaerobisena lietepeitereaktorina, jonka hollantilainen professori Lettinga keksi vuonna 1977.
Jätevesi virtaa alhaalta ylös UASB:n läpi. Reaktorin pohjalla on korkea-pitoinen, erittäin aktiivinen lietekerros, jossa useimmat jäteveden orgaaniset epäpuhtaudet käyvät läpi anaerobisen käymisen ja hajoavat metaaniksi ja hiilidioksidiksi. Vesivirran ja ilmakuplien sekoittumisen seurauksena lietekerroksen yläpuolelle muodostuu lietesuspensiokerros. Reaktorin yläosaan on asennettu kolmivaiheinen erotin keittimen kaasun, keittimen nesteen ja lietehiukkasten erottamiseksi. Digesterikaasu poistetaan reaktorin yläosasta; lietehiukkaset liukuvat automaattisesti alas ja asettuvat lietepedille reaktorin pohjalla; Keittimen nestettä poistetaan selkeytysvyöhykkeeltä.
UASB:llä on suuri kuormituskyky ja se soveltuu korkean{0}}pitoisuuden orgaanisen jäteveden käsittelyyn. Hyvin toimiva-UASB (Ultra-Anaerobic Sludge Bunker) poistaa korkean orgaanisen epäpuhtauden nopeuden, se ei vaadi sekoittamista ja voi mukautua merkittäviin kuormitusiskuihin, lämpötilan ja pH:n muutoksiin.
1.1.2 UASB-rakenne
UASB:lle on ominaista integroitu biologinen reaktio- ja sedimentaatiojärjestelmä, mikä tekee siitä kompaktin anaerobisen reaktorin. Reaktori koostuu pääasiassa tulovirtausjärjestelmästä, reaktiovyöhykkeestä, kolmivaiheisesta erottimesta, kaasukammiosta ja käsitellyn veden poistojärjestelmästä.
1.1.3 UASB:n toimintaperiaate
UASB-reaktorin anaerobinen reaktioprosessi on samanlainen kuin muut anaerobiset biologiset käsittelyprosessit, mukaan lukien hydrolyysi, happamoittaminen, etikkahapon tuotanto ja metanogeneesi. Erilaiset mikro-organismit osallistuvat substraatin muunnosprosessiin ja muuttavat substraatin lopputuotteiksi -biokaasuksi, vedeksi ja muiksi epäorgaanisiksi aineiksi.
UASB koostuu kolmesta osasta: lietteen reaktioalueesta, kaasu{0}}neste-kiinteästä kolmifaasierottimesta (mukaan lukien sedimentaatiovyöhyke) ja kaasukammiosta. Pohjareaktiovyöhykkeelle jää suuri määrä anaerobista lietettä ja hyvien sedimentaatio- ja flokkulaatio-ominaisuuksiensa omaava liete muodostaa pohjalle lietekerroksen. Käsiteltävä jätevesi virtaa anaerobisen lietekerroksen pohjalle ja sekoittuu lietekerroksessa olevaan lietteeseen. Lietteen mikro-organismit hajottavat jäteveden orgaanisen aineen ja muuttavat sen biokaasuksi. Biokaasua vapautuu jatkuvasti pienten kuplien muodossa. Kun nämä kuplat nousevat, ne sulautuvat muodostaen vähitellen suurempia kuplia. Lietteen yläosassa biokaasu sekoittaa lietettä muodostaen suhteellisen laimean lietteen-vesiseoksen, joka nousee yhdessä veden kanssa kolmivaiheiseen erottimeen. Kun biokaasu kohtaa erottimen pohjassa olevan heijastinlevyn, se poikkeaa levyn ympäri ja kulkee sitten vesikerroksen läpi kaasukammioon, jossa se väkevöidään. Biokaasu johdetaan sitten pois putken kautta. Kiinteä-nesteseos menee heijastuksen jälkeen kolmifaasierottimen sedimentaatiovyöhykkeelle. Jäteveden liete flokkuloituu, hiukkasten koko kasvaa vähitellen ja laskeutuu painovoiman vaikutuksesta. Kaltevalle seinälle laskeutunut liete liukuu takaisin anaerobiselle reaktioalueelle aiheuttaen suuren lietteen kertymisen reaktioalueelle. Lietteestä erotettu käsitelty jätevesi valuu yli sedimentaatiovyöhykkeen ylivuotopadon päältä ja poistuu sitten lietepedistä.
1.2 IC-reaktori
1.2.1 IC:n esittely
Tuotannon kehityksen ja pääoman, energiankulutuksen ja maankäytön kaltaisten tekijöiden välisten ristiriitojen kasvaessa vedenkäsittelytyöntekijöiden on pyrittävä löytämään teknisesti ja taloudellisesti optimoituja anaerobisia prosesseja, erityisesti käsitellessään tuotantokehityksestä syntyvää uutta korkeapitoisuutta{0}}orgaanista jätevettä. Sisäisen kierron anaerobinen reaktori (IC) on uudentyyppinen reaktori, joka syntyi tämän taustan alla. Se on anaerobisen jätevedenkäsittelyn teorian ja suunnittelukäytännön yhdistelmän tuote, joka heijastaa itse anaerobisten prosessien kehitysvaatimuksia. Vuonna 1985 hollantilainen PAQUES perusti ensimmäisen IC-pilotti{5}}mittakaavaisen reaktorin, ja vuonna 1988 otettiin käyttöön ensimmäinen tuotannollinen-IC-reaktori. Tällä hetkellä IC-reaktoreita on menestyksekkäästi sovellettu teollisuuden jätevesien käsittelyyn oluentuotannossa ja elintarvikejalostuksessa. Suuren käsittelykapasiteetin, vähäisen investointinsa, pienen jalanjäljensä ja vakaan toimintansa ansiosta se on herättänyt vedenkäsittelyhenkilöstön huomion maailmanlaajuisesti, ja joidenkin mielestä se on yksi kolmannen sukupolven anaerobisten biologisten reaktorien edustavista teknologioista. IC-reaktorien jatkotutkimus ja kehittäminen sekä niiden käytön edistäminen on noussut yhdeksi kuumista aiheista anaerobisessa jätevedenpuhdistuksessa.
1.2.2 IC-rakenne
IC-reaktori koostuu kahdesta pystysuoraan sarjaan pinotusta UASB-reaktorista, joiden korkeus on 16–25 m ja joiden korkeus---halkaisijasuhde on tyypillisesti 4-8. Se koostuu viidestä perusosasta: sekoitusvyöhykkeestä, rakeisen lietteen laajennetun petikerroksen vyöhykkeestä, viimeistelyvyöhykkeestä, sisäisestä kierrätysjärjestelmästä. Sisäinen kiertojärjestelmä on IC-prosessin ydinrakenne, joka koostuu ensisijaisesta kolmivaiheisesta erottimesta, biokaasun nousuputkesta, kaasun-nesteerottimesta ja lietteen alasputkesta.
1.2.3 IC:n toimintaperiaate
Tuotannon jätevesi tulee pH- ja lämpötilasäädön jälkeen ensin reaktorin pohjalla olevalle sekoitusvyöhykkeelle. Siellä se sekoitetaan perusteellisesti laskeutumisputkesta tulevan sisäisesti kierrätetyn lietteen{1}}vesiseokseen ennen kuin se menee rakeisen lietteen laajennettuun petiin COD-biokemiallista hajoamista varten. COD-tilavuuskuormitus on täällä erittäin korkea, ja suurin osa sisään tulevasta COD:stä hajoaa, jolloin syntyy suuri määrä biokaasua. Biokaasu kerätään ensisijaisella kolmivaiheisella erottimella. Biokaasukuplien muodostumisen aikana nesteelle tehtävä paisuntatyö saa aikaan kaasun nostovaikutuksen, jolloin biokaasun, lietteen ja veden seos nousee biokaasun nostoputkea pitkin reaktorin yläosassa olevaan kaasun{6}}nesteerottimeen. Täällä biokaasu erottuu lietteestä ja vedestä ja poistuu käsittelyjärjestelmästä. Lietteen -vesiseos menee sitten reaktorin pohjalla olevalle sekoitusvyöhykkeelle lietteen alasputkea pitkin, jossa se sekoittuu perusteellisesti sisäänvirtauksen kanssa ennen kuin se menee lietteen laajennettuun kerrosvyöhykkeeseen muodostaen niin -sisäisen kierron. Sisäinen kiertovirtaus voi nousta sisään tulevasta COD-kuormasta ja reaktorin rakenteesta riippuen 0,5 - 5 kertaa tulovirtaan. Laajennetun kerroksen käsittelyn jälkeen osa jätevedestä osallistuu sisäiseen kiertoon; jäljelle jäävä jätevesi kulkee ensisijaisen kolmivaiheisen erottimen läpi ja menee hienokäsittelyalueen rakeisen lietekerroksen vyöhykkeelle COD:n jäännöshajoamiseksi ja biokaasun tuottamiseksi, mikä parantaa ja varmistaa jäteveden laadun. Koska suurin osa COD:stä on hajonnut, hienokäsittelyalueen COD-kuorma on alhainen ja myös biokaasun tuotanto on pientä. Täällä tuotettu biokaasu kerätään toissijaisella kolmivaiheisella erottimella, se menee kaasun-nesteerottimeen kaasunkeräysputken kautta ja poistetaan käsittelyjärjestelmästä. Hienokäsittelyvyöhykkeen käsittelyn jälkeen jätevesi kulkee kaksivaiheisen kolmivaiheisen erottimen läpi. Supernatantti poistetaan jätevesivyöhykkeen kautta, kun taas rakeinen liete palautetaan hienokäsittelyvyöhykkeen lietepetiin.
2. Yhteenveto ja Outlook
Verrattuna toisen-sukupolven anaerobisiin reaktoreihin, kuten UASB:hen, IC-reaktoreilla on seuraavat edut:<1>Korkea orgaaninen kuormitusnopeus ja lyhyt hydraulinen pitoaika;<2>Suuri korkeus---halkaisijasuhde, pieni pinta-ala ja pienemmät infrastruktuuri-investoinnit;<3>Vakaa jätevesi ja vahva iskunkesto. Yhä useammat valmistajat Kiinassa käyttävät nyt IC-reaktoreita, ja niiden biokaasun talteenotto- ja käyttöarvo on myös merkittävä. IC-reaktorien suurin ominaisuus on, että niissä on kaksi anaerobista reaktiokammiota, jotka mahdollistavat lietteen -vesiseoksen kierron reaktorissa. Tämä ratkaisee UASB-reaktorien riittämättömän liete{4}}vesikontaktin negatiivisen vaikutuksen, mikä heikentää rakeisen lietteen biokemiallista käsittelykapasiteettia.
Siksi IC-reaktorit edustavat läpimurtoa nykyaikaisissa anaerobisissa reaktoreissa ja niillä on laajat kehitysnäkymät orgaanisten saasteiden teollisuuden jätevesien käsittelyssä. Ne korvaavat yhä enemmän UASB-reaktoreita ja ansaitsevat lisätutkimusta, kehitystä ja edistämistä.